一种检测老人跌倒的智能拐杖

1.本文涉及老人跌倒检测领域，具体为一种检测老人跌倒的智能拐杖。


背景技术：

2.拐杖，一种老人专用的行走辅助装置，用于辅助老人日常活动，预防老人跌倒。
3.常见的老人专用拐杖为木质拐杖，拐杖的顶部设有一个把手，在日常行走中，老人通过握住把手来稳定身体，防止跌倒。常见的拐杖一般未设防滑装置，不可调节高度，不包含跌倒报警装置，且木质材料易受潮、容易断裂，质量不佳。如果在老人使用过程中手杖断裂，会导致老人跌倒，若跌倒后未得到及时的救治，会威胁到老人的身体健康，严重情况下会直接导致老人死亡，不能满足老人的日常生活需求，为此提出一种检测老人跌倒的智能拐杖。
4.同时，本发明采用一种基于蜉蝣算法寻优和梯度提升决策树的跌倒检测算法对老人的行为活动进行跌倒检测，该算法将蜉蝣算法和梯度提升决策树相结合，通过模型分类来检测老人是否处于跌倒状态。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种检测老人跌倒的智能拐杖，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现上诉目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种检测老人跌倒的智能拐杖，包括拐杖本体、跌倒检测装置和照明装置。所述拐杖本体搭载跌倒检测装置和照明装置，具有跌倒检测、夜间照明、高度调节、防滑等功能；所述跌倒检测装置通过传感器采集数据和人体信号，控制芯片处理和计算采集到的数据信号，一旦检测到跌倒时间，立即发送求救短信和启动声光报警装置；所述跌倒检测算法实时检测是否发生跌倒时间，它是整个系统的核心部分，起着至关重要的作用。
10.所述拐杖本体由led灯、开关、防滑手柄、高度调节装置、电池供电装置、固定跌倒检测装置的方形盒和方形防滑底板等部分组成。
11.进一步地，所述拐杖本体的led灯和开关位于拐杖的把手部位，高度调节装置位于拐杖中部，电池供电装置位于把手右侧，用于固定跌倒检测装置的方形盒位于拐杖的底部。
12.进一步地，所述拐杖本体具有夜间照明、高度调节、防滑、跌倒检测等功能，跌倒检测装置固定在方形盒体中，方形盒体起到防尘、防潮和电气走线的作用。
13.所述跌倒检测装置由红外人体感应模块、角速度传感器、加速度传感器、gsm模块、声光报警模块、供电电源和控制芯片组成，它通过加速度传感器和角速度传感器采集数据，红外人体感应模块实时检测拐杖是否有人使用，有人使用时，自动启动跌倒检测模块，实时检测是否有人跌倒。
14.进一步地，所述跌倒检测装置的控制芯片采用stm32f103zet6芯片。
15.进一步地，所述跌倒检测装置采集人体角速度和人体加速度参数，通过时域分析法对上述参数进行数据预处理。
16.所述跌倒检测算法由传感器数据采集、数据预处理、蜉蝣(ma)算法参数寻优和梯度提升决策树(gbdt)跌倒检测组成，实现实时检测老人行为活动，该算法有利于提高跌倒检测系统的准确率，一定程度上避免了跌倒检测系统的漏报率和误报率。
17.进一步地，所述跌倒检测算法为一种基于蜉蝣寻优算法的梯度提升决策树跌倒检测算法：该算法首先读取采集到的传感器数据，然后对数据进行预处理，再采用蜉蝣算法寻找梯度提升决策树模型所需要的最优超参数，最后根据最优超参数建立梯度提升决策树模型，并用该模型进行分类，输出跌倒检测结果。
18.进一步地，所诉跌倒检测算法的数据预处理采用时域分析法，提取角速度和加速度的合角速度、合加速度、标准差、偏度、峰度、最大值和最小值等参数。
19.进一步地，所述跌倒检测算法的蜉蝣算法包括参数初始化、雄性移动、雌性移动、蜉蝣交配和输出最优参数等部分。
20.进一步地，所述跌倒检测算法的梯度提升决策树跌倒检测算法包括输入最优参数、梯度提升决策树模型分类和输出跌倒检测结果等部分。
21.(三)有益效果
22.与现有技术相比，本发明提供了一种老人跌倒检测的智能拐杖，具备以下有益效果：
23.1、该检测老人跌倒的智能拐杖，通过在拐杖本体的基础上搭载跌倒检测装置和照明装置，并设有防滑功能、高度调节功能和电池供电功能，使得拐杖的功能智能化。防滑功能和高度调节功能提高拐杖的舒适度；照明装置便于老人夜间出行，减少老人跌倒的概率，提高安全度；加设跌倒检测装置有效实现gsm短信报警和声光报警，及时发现老人跌倒，使老人得到及时的救治；加设跌倒检测算法，通过机器学习算法，提高跌倒检测的准确率，减少误报率和漏报率；加设电池供电功能为上诉装置提供可靠的供电电源。该智能拐杖提高了对老人的安全防护能力，能有效避免老人跌倒致死事故。
24.2、跌倒检测算法采用蜉蝣寻优算法和梯度提升决策树模型相结合，通过蜉蝣算法寻找模型所需要的最优的众多超参数，使得模型得到最优的训练，极大程度上提升了模型的检测效率和准确性，具有很好的跌倒检测效果。
附图说明
25.图1为本发明结构设计图；
26.图2为本发明用于固定跌倒检测装置方形盒体的二维示意图；
27.图3为本发明用于固定跌倒检测装置方形盒体的三维示意图；
28.图4为本发明跌倒检测装置系统设计图；
29.图5为本发明跌倒检测算法原理框图。
30.图中：1、led灯；2、开关；3、条纹防滑手柄；4、电池盒；5、高度调节按钮；6、拐杖本体；7、用于调节高度的接口；8、方形防滑底座；9、固定后板；10、通孔；11、跌倒检测装置；12、角速度传感器；13、加速度传感器；14、声光报警模块；15、控制芯片；16、gsm短信报警模块；
17、红外人体传感模块；18、第一连接槽；19、顶板；20、右板；21、第一连接头；22、前板；23、第二连接槽；24、第三连接头；25、第三连接槽；26、底板；27、电气走线槽；28、左板；29、第二连接头。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明提供一种技术方案：
33.如图1所示，一种检测老人跌倒的智能拐杖，包括led灯1、开关2、条纹防滑手柄3、电池盒4、高度调节按钮5、拐杖本体6、用于调节高度的接口7、方形防滑底座8、固定后板9、通孔10、跌倒检测装置11、角速度传感器12、加速度传感器13、声光报警模块14、控制芯片15、gsm短信报警模块16、红外人体传感模块17。
34.如图2所示，跌倒检测装置11通过通孔10固定在固定后板9上面，固定盒体由固定后板9、前板22、右板20、左板28、顶板19和底板26构成,顶板19四周均匀固定有第一连接槽18，底板26四周均匀固定有第三连接槽25，前板22四周均匀固定有第一连接头21和第二连接槽23，左板均匀固定有第二连接头29，右板均匀固定有第三连接头24，其中第一连接槽18的形状、大小与第一连接头21的形状、大小相匹配，第二连接槽23的形状、大小与第二连接头29的形状、大小相匹配，第三连接槽25的形状、大小与第三连接头24的形状大小相匹配，各连接槽和连接头的形状、大小相匹配组成方形盒体，用于固定跌倒检测装置11。
35.如图3所示，为用于固定跌倒检测装置的方形盒体三维示意图。
36.如图4所示，图中控制芯片15采用stm32f103zet6芯片，采用的是arm内核，具有很强的计算和处理数据的能力。红外人体感应模块17位于拐杖的中部，嵌入在拐杖的外壳中，实时采集人体热释电信号，确保在有人使用拐杖时才启动跌倒检测装置，避免错报、误报现象。角速度传感器12和加速度传感器13实时采集人体行为数据，为跌倒检测算法提供数据依据。当检测到有人跌倒时，立即发送求救短信和启动声光报警装置，确保老人得到及时的救治。供电电路4为跌倒检测装置提供可靠的电源。
37.如图5所示，一种老人跌倒检测的智能拐杖是基于蜉蝣算法和梯度提升决策树模型的跌倒检测算法，包括传感器数据采集、数据预处理、蜉蝣(ma)算法参数寻优和梯度提升决策树(gbdt)模型四部分：该算法首先读取采集到的传感器数据，然后对数据进行预处理，再采用蜉蝣算法寻找梯度提升决策树模型所需要的最优超参数，最后根据最优超参数建立梯度提升决策树模型，并用该模型进行分类，输出跌倒检测结果。
38.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另外一个实体操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固定的要素。
39.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。